某纯电动汽车电池包系统振动疲劳仿真分析研究

周丽杰

摘 要：为了迎合市场对续驶里程提高的要求，续驶里程超过400公里已成为国内纯电动汽车市场的主流，受电池材料和能量密度极限的影响，电池包重量也会相应超过350kg，电池包振动疲劳的挑战全方位倍增，对电池包系统箱体结构性能要求越来越高，建立适用的电池包系统振动疲劳仿真分析的企业标准，为整车开发性能考核提供依据，降低开发风险和费用。

关键词：纯电动汽车;电池包;振动疲劳;企业标准

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-19-04

Abstract： In order to meet the requirement of the market for increasing driving mileage， driving mileage over 400 kilometers has become the mainstream of the domestic pure electric vehicle market. Due to the influence of battery materials and energy density limit， the weight of battery pack will correspondingly exceed 350 kilograms. The challenge of vibration fatigue of battery pack will be multiplied in all directions. The structural performance of battery pack system is increasingly demanded， and suitable battery pack system will be established. The enterprise standard of vibration fatigue simulation analysis provides a basis for vehicle development performance evaluation and reduces development risk and cost.

Keywords： Battery electric vehicle1; Pack; Vibration fatigue; Enterprise Standard

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-19-04

引言

純电动汽车市场的快速增长，离不开国家政策的支持、消费者消费观念的转变以及车企技术的提升。根据公安部交管局官方微信发布数据显示，截止2018年6月底，国内机动车保有量达3.19亿，其中汽车保有量达2.29亿辆，新能源汽车保有量达199万辆，其中纯电动汽车162万辆，占汽车总量比约0.7%。但相应的纯电动汽车试验标准还不够全面、待完善和更新，各汽车企业都在摸索、研究、制定各自的企业标准。电池包在车辆行驶过程中发生随机振动，研究随机振动对电池包的疲劳寿命影响具有重要意义。对整车基于路谱载荷疲劳、电池包系统基于路谱载荷疲劳、电池包系统基于《电动汽车用动力蓄电池安全要求》报批稿功率谱密度载荷疲劳、电池包系统基于GBT 31467.3-2015功率谱密度载荷疲劳等方面展开研究，获得有效支撑，建立适合电池包系统振动疲劳仿真分析的企业标准。

1 某纯电动车电池包系统结构特点

某纯电动车电池包上下箱体总成采用轻量化铝合金电池框架、先进的链接工艺（热熔自攻丝FDS、铝套管、高强度铆钉、电螺栓、导热粘接胶、进出水口密封胶等），总成重量仅70kg。

除24个电池包单体模组外，还将高压配电盒、电池管理系统主从控板、快充高压连接器、输出高压连接器等部件集成在电池包PACK内。电池包PACK的投影面积约1.8m2，电池模组的投影总面积约占电池包PACK投影面积的78%，电池模组的总重量约占电池包PACK的总重量的80%。

电池包系统左右侧各有4个与车身侧围门槛梁的安装点，安装点间距在380mm到480mm之间。电池包系统后侧有2个与车身后地板中横梁的安装点，安装点间距约600mm。与特斯拉model3等车型相比，电池包前部和中部与车身无安装点，其Z向振动特性明显低于XY两个方向，Z向振动疲劳损伤为主要考察方向。

2 电池包系统振动疲劳对标分析

在电池包开发阶段，对电池包内外各组成部分进行精细化建模，确定各组件间的接触、链接方式，建立合理的电池包系统有限元模型，并参考电池包系统模态试验、振动试验（参考GBT 31467.3-2015）结果进行对标，提升仿真模型精度。

2.1 电池包系统试验夹具设计

从电池包夹具对电池包系统的约束性能上，初始设计两套夹具，夹具1的约束刚度与电池包的车身安装点刚度相当、夹具2的约束刚度提高多倍，相当于刚性约束。从刚度、模态特性、振动疲劳等方面仿真分析结果对比如表1所示，其中振动疲劳损伤是参照国标GBT 31467.3-2015中的7.1部分 。夹具2的约束刚度较电池包的车身安装点刚度高4到22倍，振动疲劳损伤3.1E-7，为无限寿命，满足循环使用要求。另电池包的长度大于1600mm、宽度大于1200mm，对夹具的面板平面度要求较高，要求平面度公差小于0.5mm。采用夹具2设计制作夹具，用于电池包振动疲劳试验。

2.2 电池包系统模态和振动试验对标及优化

通过对电池包系统仿真与试验结果进行对标分析，不仅可以确定电动汽车动力电池包固有频率、振型、阻尼比等，还可确定较为准确的建模方案，获得较高的仿真可信度。从集中质量（电池单体的建模简化为集中质量点，质量点与箱体采用刚性连接）、简化连接（考虑单体的建模，将电池与箱体的连接关系简化为刚性）、接触（考虑部件间的接触或胶粘）等方面修正模型[1]，与试验结果对比，仿真对标后Z向一阶模态差异0.9%、Z向损伤差异15%，仿真模型精度较高。经对上下箱体结构优化，上箱体与模组安装支架的安装点数量由6个增加到8个，一阶局部模态从20.4HZ提升到58.1HZ，上箱体损伤从0.85降为7.0E-5，处于振动耐久性安全状态。

3 电池包系统振动疲劳分析研究

基于以上对标优化后的仿真模型，对整车路谱载荷疲劳、电池包系统路谱载荷疲劳、电池包系统基于《电动汽车用动力蓄电池安全要求》报批稿随机振动载荷疲劳、电池包系统基于GBT 31467.3-2015中7.1部分随机振动载荷疲劳等方面展开研究。

3.1 整车强化路载荷静态疲劳分析研究

整车强化路谱采集试验场地为中汽中心盐城汽车试验场，试验路面包括T8强化耐久路和T9爬坡区，主要包括比利时路、混凝土补丁路、圆形坑洼路、沟渠路、溅水路、振动路、锯齿路、正弦坡道、不规则的混凝土路、森林路等路段，强化系数为8。

分析模型包含TRIM状态白车身和电池包系统，仿真分析电池包及支架系统最大损伤值为1.8E-9，2台整车结构耐久实车试验车、1台整车PAVE试验车、1台四立柱台架试验车均未出现电池包及支架系统损坏。

3.2 电池包系统路谱载荷疲劳分析研究

分析模型仅为电池包及支架系统加夹具，采用NCODE软件振动疲劳仿真分析模块，将路谱采集时域数据转化为频域功率谱曲线，用Duty Cycle加载方式实现39个事件按顺序分析计算并自动进行结果叠加。仿真分析持续时间与各路谱采集时域数据、循环次数总时间一致，仿真分析获得电池包及支架系统最大总损伤值为2.1E-10，其中卵石路S蛇形驾驶、井盖路、比利时Ⅰ、比利时Ⅱ、溅水、振动Ⅱ等路段贡献较大，占总损伤的95%以上。

3.3 电池包系统2015版国标振动疲劳分析研究

分析模型仅为电池包及支架系统加夹具，采用GBT 31467.3-2015中7.1部分的Z轴PSD值为加载曲线，其随机振动加速度RMS均方根为1.44G，振动测试持续时间为21小时，仿真分析电池包及支架系统最大损伤值为3.5E-3，明显高于整车强化路静态疲劳分析及强化路载荷功率谱曲线振动疲劳分析的电池包损伤。GBT 31467.3-2015中7.1部分参照ECE R100第一阶段提案，存在与我国试验场强化道路实际激励环境有偏差、采集到的振動载荷相差较大及不可预见的风险等。此载荷电池包系统振动疲劳试验次数已超过10次，均未发生结构疲劳损坏。

3.4 电池包系统2019版报批稿国标振动疲劳分析研究

《电动汽车用动力蓄电池安全要求》报批稿预计在2020年上半年作为强制性国家标准发布，以代替GB/T31467.3- 2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法》。报批稿以交通部北京通县的结构耐久强化道路为数据采集场地，基于等效损伤理论，通过试验应力采集验证、仿真分析与测试时间优化可行性分析等多方面的论证，得到综合的PSD谱，建立振动试验与实际道路的关联。与GB/T 31467.3相比，随机振动的RMS水平有明显降低，Z轴加速度RMS由1.44G降为0.64G，每个方向的振动持续时间也从21小时缩短到12小时。报批稿仿真分析电池包及支架系统最大损伤值为8.6E-11，低于整车强化路静态疲劳分析及强化路载荷功率谱曲线振动疲劳分析的电池包损伤。

3.5 推荐版振动疲劳分析测试条件研究

用电池包底面中心点采集的强化路加速度曲线数据为研究对象，共包含39个路面事件，分别对其进行 RMS均方根计算，RMS均方根大于0.2G的为主要事件，包含比利时路Ⅰ、混凝土补丁路、振动路Ⅲ、圆形坑洼路、30°角路障路、扭曲路-左侧、颠簸路、沟渠路、比利时路Ⅱ、溅水路、振动路Ⅱ、绳索路、井盖路、锯齿路、正弦坡道、卵石路-10S蛇形驾驶等共16个事件，占总损伤的99.93%。基于此16个事件，推荐振动疲劳测试条件低频5-15Hz段功率谱密度PSD为0.017g2/Hz、低频65-100Hz段功率谱密度PSD为0.002g2/Hz、高频200Hz段功率谱密度PSD为0.0001g2/Hz，推荐PSD曲线包络已基本覆盖主要事件，具有较好的吻合性。

推荐版振动疲劳测试条件RMS均方根值为0.75G，较国标2019报批版高约20%，振动时间保持为12h。仿真分析获得此载荷电池包及支架系统最大损伤值为1.4E-7，是整车强化路静态疲劳分析及强化路载荷功率谱曲线振动疲劳分析的电池包损伤的10-100倍，符合通常子系统台架疲劳试验测试强度要求。主要事件与国标2015振动载荷、国标2019报批版载荷、推荐版载荷对比如下图2：

4 总结

经对电池包系统台架试验用夹具合理设计、初版电池包系统结构模态、振动疲劳对标、结构优化，得到较高精度的电池包系统仿真分析模型。基于此研究电池包系统5种疲劳分析方法的差异，初步得出：

（1）电池包的长度大于1600mm、宽度大1200mm，对夹具的面板平面度要求较高，要求平面度公差小于0.5mm、夹具的Z向约束刚度较电池包的车身侧安装点刚度高20倍以上，以便夹具可达到重复使用、无线寿命的要求。

（2）电池包系统整车强化路静载荷疲劳、电池包系统强化路载荷疲劳、电池包系统2019版报批稿振动疲劳仿真分析结果相当。2019版报批稿振动试验强度低于本企业选定的盐城汽车试验场强化道路激励，建议各新能源企业适当加强。

（3）电池包系统2015版国标振动疲劳分析结果明显高于其他方案，且统计此标准实施以来的测试结果，此振动试验通过率仅为50%左右，表明其过于严格。